JP4117816B2 - 車両用始動兼発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される内燃機関用の始動装置と発電装置とを一体に組み合わせて構成された車両用始動兼発電装置に係り、特に、内燃機関のクランク軸に直結される車両用始動兼発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関（以下、「エンジン」という）に使用されている始動兼発電装置では、特開平１０−１４８１４２号公報に記載されているように、モータのステータに始動コイルおよび発電コイルが設けられ、始動時には始動コイルへブラシ機構を介してバッテリから給電することでモータを始動装置として機能させ、ロータに直結されたクランク軸を回転させてエンジンを始動する。
【０００３】
一方、モータの整流子片とブラシ機構とはガバナ機構を介して接触しており、エンジン始動後、エンジンの回転数が増大してロータが所定回転数以上に達すると、その遠心力によりガバナ機構が作動して前記整流子片とブラシ機構との接触が断たれる。したがって、これ以後はモータが発電装置として機能し、発電コイルに発生した起電力が電気負荷やバッテリへ供給される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の始動兼発電装置では、ガバナ機構やブラシ機構を設けるためのスペースをクランク軸上の軸方向に確保しなければならず、その分だけクランク軸が長くなってしまう。また、シリンダヘッドにカムシャフトを備えた４サイクルエンジンでは、クランク軸上にカムシャフトの駆動機構を配置することがあり、この場合もクランク軸を長くしなければならない。さらに、クランク軸の端部に自動変速機構を設けようとすると、クランク軸も必然的に長くなってしまう。したがって、始動兼発電装置を４サイクルエンジンの搭載車両に採用し、さらにクランク軸の端部に自動変速機構を設けようとすれば、クランク軸が長くなってしまう。
【０００５】
一方、クランク軸の長さを抑えるために、上記したガバナ機構、ブラシ機構、カムシャフト駆動機構および自動変速機構等を近接配置してしまうと、クランク軸上に、その回転角度を検知するための角度センサを設けるスペースが確保できなくなってしまう。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、クランク軸を長くすることなく、その一端に配置可能な車両用始動兼発電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、４サイクルエンジンのクランク軸の一端側に無段変速ユニットおよび遠心クラッチを備えたスイングユニットに適用される車両用始動兼発電装置において、前記クランク軸の他端側にブラシレスモータを備え、前記ブラシレスモータによるエンジンの始動および発電を制御する制御手段を具備したことを特徴とする。
【０００８】
上記した特徴によれば、車両用始動兼発電装置をブラシレスモータ単体で構成することができるのでガバナ機構やブラシ機構が不要となり、クランク軸上での車両用始動兼発電装置の軸方向の占有領域（長さ）を狭くすることができる。したがって、車両用始動兼発電装置をクランク軸に直結しても、クランク軸部分でのクランク軸方向への張出を抑えることができ、この結果、車幅の抑制や車両の軽量化が可能になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図６は、本発明の一実施形態である始動兼発電装置を搭載した自動二輪車の全体側面図である。車体前部２と車体後部３とは低いフロア部４を介して連結され、ダウンチューブ６とメインパイプ７とを含む車体フレームによって車体の骨格が構成されている。燃料タンクおよび収納ボックス（共に図示せず）はメインパイプ７により支持され、その上方にシート８が配置されている。シート８はその下部に設けられるラゲッジボックスの蓋を兼ねることができ、ラゲッジボックスは、その前部ＦＲに設けられるヒンジ機構により開閉自在に構成されている。
【００１０】
車体前部２ではダウンチューブ６にステアリングヘッド５が設けられ、このステアリングヘッド５によってフロントフォーク１２Ａが軸支されている。上方に延びたフロントフォーク１２Ａの上端にはハンドル１１Ａが取付けられる一方、下端には前輪１３Ａが軸支されている。ハンドル１１Ａの上部は計器板を兼ねたハンドルカバー３３で覆われている。
【００１１】
メインパイプ７の途中にはリンク部材（ハンガ）３７が回動自在に軸支され、このハンガ３７によりスイングユニット１７がメインパイプ７に揺動自在に連結支持されている。スイングユニット１７には、その前部に単気筒の４サイクルエンジン２００が搭載されている。このエンジン２００から後方にかけてベルト式無段変速機３５が構成され、その後部には遠心クラッチを介して設けられた減速機構３８に後輪２１が軸支されている。減速機構３８の上端とメインパイプ７の上部屈曲部との間にはリヤクッション２２が介装されている。スイングユニット１７の前部には、エンジン２００のシリンダヘッド３２から延出した吸気管２３が接続され、さらにこの吸気管２３には気化器２４および同気化器２４に連結されたエアクリーナ２５が配設されている。
【００１２】
ベルト式無段変速機３５の伝動ケースカバー３６から突出したキックシャフト２７にキックアーム２８の基端が固着され、キックアーム２８の先端にキックペダル２９が設けられている。スイングユニットケース３１の下部に設けられた枢軸１８にはメインスタンド２６が枢着されており、駐車に際してはこのメインスタンド２６を立てる（鎖線で図示）。
【００１３】
図１は、前記スイングユニット１７の断面図であり、前記図６のＡ−Ａ面での断面構造を示している。スイングユニット１７は、後に図２〜５を参照して詳述するように、車両前方に位置するエンジン２００、クランク軸１２の一端に連結された本発明の始動兼発電装置１００、クランク軸１２の他端に連結された自動変速機の駆動部３００および従動部４００を備える。
【００１４】
図２は、前記始動兼発電装置１００およびクランク部の構造を示した部分断面図である。スイングユニットケース３１には主軸受１０、１１によってクランク軸１２が回転自在に支持され、このクランク軸１２にはクランクピン１３を介してコンロッド１４が連結されている。クランク室９から張出したクランク軸１２の一端側には、始動兼発電装置１００の主要部であるブラシレスモータ４４のインナロータ１５が設けられている。インナロータ１５は、フランジ部材３９と共にボルト２０によりクランク軸１２の一端に固定されている。
【００１５】
インナロータ１５の外周面には永久磁石１９が嵌着されている。永久磁石１９は、例えばネオジウム鉄ボロン系であり、クランク軸１２を中心として等角度間隔で６か所に設けられている。インナロータ１５の外周に配設されたアウタステータ４７のステータコア４８はスイングユニットケース３１に固定されている。このステータコア４９のヨーク４９ａには、発電コイル５０と始動コイル５１とが巻回されている。
【００１６】
前記フランジ部材３９にはラジエータファン５７が取付けられ、このラジエータファン５７に対向してラジエータ５８が設けられている。クランク軸１２上には、インナロータ１５および主軸受１１間にスプロケット５９が固定されており、このスプロケット５９にはクランク軸１２からカムシャフト（図示せず）を駆動するための動力を得るためのチェーン６０が掛けられている。なお、スプロケット５９は潤滑オイルを循環させるポンプに動力を伝達するためのギヤ６１と一体的に形成されている。
【００１７】
スイングユニットケース３１の一端側面３１ａの内側には、基板５５がネジ４１によりクランク軸１２と平行に固定され、基板５５の内側表面には、前記インナロータ１５の外周面に装着された永久磁石１９を検知するためのロータセンサ５６が設けられている。前記ロータセンサ５６は、後に図７を参照して説明するように、複数（本実施形態では、３つ）のホール素子をインナロータ１５と同軸に所定の間隙を設けて円弧状に配置することで構成される。
【００１８】
図３は、前記エンジン２００のヘッド周辺の構造を示した部分断面図である。シリンダ６２内に配置されているピストン６３は、ピストンピン６４を介してコンロッド１４のスモールエンド側に連結されている。シリンダヘッド３２には点火プラグ６５が螺着され、その電極部がピストン６３のヘッドとシリンダヘッド３２との間に形成された燃焼室に臨んでいる。シリンダ６２の周囲は水ジャケット６６で囲まれている。
【００１９】
シリンダヘッド３２内の、前記シリンダ６２の上方には、軸受６７、６８によって回転自在に支持されたカムシャフト６９が設けられている。カムシャフト６９にはアタッチメント７０が嵌合しており、このアタッチメント７０には、カムスプロケット７２とカムセンサ１５５に関連してカムパルスを発生させるためのリラクタ部７２ａとがボルト７１による共締めで固定されている。カムスプロケット７２にはチェーン６０が掛けられている。このチェーン６０によって、前記スプロケット５９（図１参照）の回転つまりクランク軸１２の回転がカムシャフト６９に伝達される。
【００２０】
カムシャフト６９の上部にはロッカアーム７３が設けられていて、このロッカアーム７３はカムシャフト６９の回転に伴いカムシャフト６９のカム形状に応じて揺動する。カムシャフト６９には一体的に排気カムおよび吸気カムが形成されているが、これらのカムに隣接し、カムシャフト６９に対して逆転方向にのみ係合しているデコンプカム９８が設けられている。デコンプカム９８はカムシャフト６９の逆転時にカムシャフト６９の回転に追従して排気カムの外周形状よりも突出した位置に回動する。
【００２１】
したがって、カムシャフト６９の正転時に排気弁９６をわずかにリフトした状態にすることができ、エンジンの圧縮工程での負荷を軽減することができる。これにより、クランク軸を始動されるときのトルクを小さくできるので、４サイクルエンジンのスタータとしては小型のものを使うことができる。その結果、クランク周りをコンパクトにでき、バンク角を大きくできるという利点がある。なお、カムがしばらく正転することにより、デコンプカム９８の外形は排気カムの外周形状内に戻る。
【００２２】
シリンダヘッド３２には水ポンプベース７４と水ポンプハウジング７５とで囲まれたポンプ室７６が形成されている。ポンプ室７６内にはインペラ７７を有するポンプシャフト７８が配置されている。ポンプシャフト７８はカムシャフト６９の端部に嵌合され、軸受７９によって回転自在に保持されている。ポンプシャフト７８の駆動力はカムスプロケット７２の中心部に係合するピン８０によって得られる。
【００２３】
ヘッドカバー８１には、エアリードバルブ９４が設けられている。このエアリードバルブ９４は、排気管に負圧が生じたときにエアを吸入してエミッションを改善する。なお、ポンプ室７６の周辺の随所にはシール部材が設けられているが、個々の説明は省略する。
【００２４】
図４、図５は、エンジン２００の回転を変速して後輪に伝達する自動変速機の自動変速部分の断面図であり、それぞれ図４が駆動側、図５が従動側である。
【００２５】
図４において、クランク軸１２上の、前記始動兼発電装置１００のインナロータ１５が設けられた側とは反対側の端部にはＶベルト８２を巻き掛けるためのプーリ８３が設けられている。プーリ８３はクランク軸１２に対して回転方向および軸方向の動きが固定された固定プーリ片８３ａとクランク軸１２に対して軸方向に摺動自在な可動プーリ片８３ｂとからなる。
【００２６】
可動プーリ片８３ｂの背面つまりＶベルト８２と当接しない面にはホルダプレート８４が取付けられている。ホルダプレート８４はクランク軸１２に対して回転方向および軸方向の双方にその動きが規制されていて一体で回転する。ホルダプレート８４と可動プーリ片８３ｂとによって囲まれた空所はガバナウェイトとしてのローラ８５を収容するポケットを形成している。
【００２７】
一方、後輪２１に動力をつなぐクラッチ機構は次のように構成されている。図５において、クラッチのメインシャフト１２５はケース１２６に嵌合された軸受１２７およびギヤボックス１２８に嵌合された軸受１２９で支持されている。このメインシャフト１２５には軸受１３０および１３１よってプーリ１３２の固定プーリ片１３２ａが支持されている。メインシャフト１２５の端部にはナット１３３によってカップ状のクラッチ板１３４が固定されている。
【００２８】
前記固定プーリ片１３２ａのスリーブ１３５には、プーリ１３２の可動プーリ片１３２ｂがメインシャフト１２５の長手方向に摺動自在に設けられている。可動プーリ片１３２ｂは、メインシャフト１２５の周りで一体的に回転できるようにディスク１３６に係合している。ディスク１３６と可動プーリ片１３２ｂとの間には、両者間の距離を拡張する方向に反発力が作用する圧縮コイルばね１３７が設けられている。また、ディスク１３６にはピン１３８で揺動自在に支持されたシュー１３９が設けられている。シュー１３９はディスク１３６の回転速度が増大したときに遠心力が作用して外周方向に揺動し、クラッチ板１３４の内周に当接する。なお、ディスク１３６が所定の回転速度に達したときにシュー１３９がクラッチ板１３４に当接するように、ばね１４０が設けられている。
【００２９】
メインシャフト１２５にはピニオン１４１が固定されていて、このピニオン１４１はアイドルシャフト１４２に固定されたギヤ１４３に噛合っている。さらに、アイドルシャフト１４２に固定されたピニオン１４４は出力シャフト１４５のギヤ１４６に噛合っている。後輪２１はリム２１ａとリム２１ａの周囲に嵌込まれたタイヤ２１ｂとからなり、リム２１ａが前記出力シャフト１４５に固定されている。
【００３０】
上記構成において、エンジン回転数が最小の場合、ローラ８５は図４の実線で示した位置にあり、Ｖベルト８２はプーリ８３の最小径部分に巻き掛けられている。プーリ１３２の可動プーリ片１３２ｂは圧縮コイルばね１３７に付勢された図５の実線の位置に偏倚させられていて、Ｖベルト８２はプーリ１３２の最大径部分に巻き掛けられている。この状態では、遠心クラッチのメインシャフト１２５は最小回転数で回転させられるため、ディスク１３６に加わる遠心力は最小であり、シュー１３９はばね１４０によって内方に引き込まれているのでクラッチ板１３４に当接しない。つまり、エンジンの回転がメインシャフト１２５に伝達されず、車輪２１は回転されない。
【００３１】
一方、エンジン回転数が大きい場合にはローラ８５が遠心力で外周方向に偏倚する。図４の鎖線で示した位置が最大回転数のときのローラ８５の位置である。ローラ８５が外周方向に偏倚すると、可動プーリ８３ｂは固定プーリ８３ａ側に押しやられるため、Ｖベルト８２はプーリ８３の最大径寄りに移動する。そうすると、遠心クラッチ側では、圧縮コイルばね１３７に打ち勝って可動プーリ片１３２ｂが偏倚し、Ｖベルト８２はプーリ１３２の最小径寄りに移動する。したがって、ディスク１３６に加わる遠心力は増大し、シュー１３９はばね１４０に打ち勝って外方に張出し、クラッチ板１３４に当接する。その結果、エンジンの回転力がメインシャフト１２５に伝達され、ギヤトレインを介して車輪２１に動力が伝わる。こうして、エンジンの回転数に応じて、クランク軸１２側のプーリ８３および遠心クラッチ側のプーリ１３２に対するＶベルト８２の巻き掛け径が変化し、変速作用が果たされる。
【００３２】
上述のように、エンジン始動時は始動コイル５１に通電してエンジンを付勢することができるが、本実施形態では、足踏み動作によってエンジン２００を始動するキック始動装置を併用している。さらに図４を参照してキック始動装置を説明する。前記固定プーリ８３ａの背面にはキック始動用の従動ドッグギヤ８６が固定されている。一方、カバー３６側には、ヘリカルギヤ８７を有する支持軸８８が回転自在に支持されている。支持軸８８の端部にはキャップ８９が固定されていて、このキャップ８９の端面には前記従動ドッグギヤ８６と噛合する駆動ドッグギヤ９０が形成されている。
【００３３】
さらに、カバー３６にはキックシャフト２７が回動自在に支持されていて、このキックシャフト２７には、前記ヘリカルギヤ８７と噛合されるセクタヘリカルギヤ９１が溶接されている。キックシャフト２７の端部つまりカバー３６から外部へ突出している部分にはスプラインが形成されていて、このスプラインにはキックアーム２８（図６参照）に設けられたスプラインが係合される。なお、符号９２、９３は戻しばねである。
【００３４】
上記構成において、キックペダル２９を踏み込むと、戻しばね９３に打ち勝ってキックシャフト２７およびセクタヘリカルギヤ９１が回動する。ヘリカルギヤ８８およびセクタヘリカルギヤ９１は、セクタヘリカルギヤ９１がキックペダルの踏み込みによって回動した場合にプーリ８３側に支持軸８７を付勢する推力が生じるように互いのねじれ方向が設定されている。したがって、キックペダル２９を踏み込むと支持軸８７がプーリ８３側に偏倚し、キャップ８９の端面に形成された駆動ドッグギヤ９０が従動ドッグギヤ８６と噛合う。その結果、クランク軸１２は回転させられ、エンジン２００の始動が可能となる。エンジンが始動すると、キックペダル２９の踏み込みを弱め、戻しばね９２、９３によってセクタヘリカルギヤ９１を反転させると、駆動ドッグギヤ９０と従動ドッグギヤ８６との係合が解除される。
【００３５】
図７は、前記始動兼発電装置１００の制御系のブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００３６】
制御ユニット４０は、バッテリ４２の出力電圧ＶBATTをロジック電圧ＶDDに変換してＣＰＵ１０１へ供給するＤＣ−ＤＣ変換器１０２と、ＩＧコイル５４への給電を制御して点火プラグ６５を所定のタイミングで点火させる点火制御装置１０３と、バッテリ電圧ＶBATTを３相交流電力に変換してブラシレスモータ４４の始動コイル５１へ供給する３相ドライバ１０４とを含む。
【００３７】
スロットルセンサ５３は、スロットル開度θthを検知してＣＰＵ１０１へ通知する。ロータセンサ５６は、例えば３つのホール素子５６ａ、５６ｂ、５６ｃから構成され、インナーロータ１５の回転位置を、その外周面に設けられた６つの永久磁石１９の位置として検知し、ＣＰＵ１０１へ通知する。レギュレータ５２は、インナーロータ１５の回転に応じて発電コイル５０に発生した誘導起電力をバッテリ電圧ＶBATTに制御して電源ラインＬへ供給する。
【００３８】
このような構成において、エンジン始動時は、ＣＰＵ１０１がロータセンサ５６により検知されたインナーロータ１５の回転位置に基づいて始動コイル５１の励磁タイミングを決定し、３相ドライバ１０４の各パワーＦＥＴのスイッチングタイミングを制御して始動コイル５１の各相へ交流電力を供給する。
【００３９】
３相ドライバ１０４の各パワーＦＥＴはＣＰＵ１０１によりＰＷＭ制御され、そのデューティー比すなわちブラシレスモータ４４の始動トルクは、前記スロットルセンサ５３により検知されたスロットル開度θthに基づいて制御される。
【００４０】
一方、エンジン２００が始動されて所定回転数に達すると、３相ドライバ１０４から始動コイル５１への給電が中止され、今度はブラシレスモータ４４がエンジンにより従動的に駆動される。このとき、ブラシレスモータ４４の発電コイル５０には、クランク軸１２の回転速度に応じて起電力が発生する。この起電力はレギュレータ５２によってバッテリ電圧ＶBATTに制御され、その後、電気負荷へ供給されると共に余剰電力はバッテリへ充電される。
【００４１】
上記したように、本実施形態では始動兼発電装置の発電電動機としてブラシレスモータを採用し、ブラシ機構やガバナ機構を廃止したので、クランク軸１２の全長を短くすることができ、これを搭載する車両の幅を狭めることができる。
【００４２】
また、ブラシレスモータ４４のロータ位置を検知するためのロータセンサ５６の検知結果をクランク角度の判定にも用いたので、クランク角度を検知するためのクランクセンサが不要となり、クランク軸１２の更なる短縮が可能になる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) 始動兼発電装置の発電電動機としてブラシレスモータを採用し、ブラシ機構やガバナ機構を廃止したので、クランク軸の全長を従来よりも短くすることができ、クランク軸部分での車幅の抑制や車両の軽量化が可能になる。
(2) ブラシレスモータのロータ位置を検知するためのロータセンサの検知結果をクランク角度の判定にも用いたので、クランク角度を検知するためのクランクセンサが不要となり、クランク軸の更なる短縮が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る始動兼発電装置を含むスイングユニットの断面図である。
【図２】 スイングユニットの始動兼発電装置周辺およびその近傍の部分断面図である。
【図３】 スイングユニットのエンジンのシリンダヘッド近傍の部分断面図である。
【図４】 スイングユニットの自動変速装置（駆動部）近傍の部分断面図である。
【図５】 スイングユニットの自動変速装置（従動部）近傍の部分断面図である。
【図６】 本発明の一実施形態に係る始動兼発電装置を適用した自動二輪車の側面図である。
【図７】 本発明の一実施形態に係る始動兼発電装置の制御系のブロック図である。
【符号の説明】
９…クランク室、１２…クランク軸、１５…インナロータ、１９…永久磁石、３１…スイングユニットケース、３２…シリンダヘッド、４４…ブラシレスモータ、４５…連結ピン、４７…アウタステータ、５０…発電コイル、５１…始動コイル、５６…ロータセンサ、５９…スプロケット

Claims (5)

1. ４サイクルエンジンのクランク軸の一端側に無段変速ユニットおよび遠心クラッチを備えたスイングユニットに適用され、
   前記クランク軸の他端側にブラシレスモータを備え、前記ブラシレスモータによるエンジンの始動および発電を制御する制御手段を具備し、
   前記制御手段は、スロットルセンサで検知されたスロットル開度に基づいて前記ブラシレスモータの始動トルクを制御することを特徴とする車両用始動兼発電装置。
2. 前記ブラシレスモータのステータはロータの周囲に配置され、前記ロータは、その外周面に複数の永久磁石が配置されたインナーロータ磁石式であることを特徴とする請求項１に記載の車両用始動兼発電装置。
3. 前記ロータの外周面に配置された永久磁石の磁気を検知するロータセンサと、
   前記ロータセンサの出力信号に基づいてロータの回転角度を判定し、判定結果に基づいて前記始動コイルへの給電を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする請求項２に記載の車両用始動兼発電装置。
4. 前記ロータセンサの出力信号に基づいてエンジンの点火制御を実行する点火制御手段を具備したことを特徴とする請求項３に記載の車両用始動兼発電装置。
5. 前記ロータセンサは、スイングユニットケースの内側において、ネジによって前記クランク軸と平行に固定された基板に設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の車両用始動兼発電装置。

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